Ultraschallschweißen

Das Ultraschallschweißen (EN ISO 4063: Prozess 41) ist ein Verfahren zum Fügen von thermoplastischen Kunststoffen und metallischen Werkstoffen. Das Verfahren findet in vielen Bereichen der Industrie Verwendung. So werden z. B. in der Verpackungsindustrie Kunststoffverpackungen oder in der Automobilindustrie Kabelbäume mittels Ultraschall geschweißt. Bei den metallischen Werkstoffen kommt es vor allem bei Aluminium, Kupfer und deren Legierungen zum Einsatz. Die Verschweißung wird durch eine hochfrequente mechanische Schwingung im Bereich von i. d. R. 20 bis 35 kHz erreicht, welche zwischen den Bauteilen zu Erwärmung durch Molekular- und Grenzflächenreibung, bei Metallen auch zur Verzahnung und Verhakung der Fügepartner führt. Somit gehört das Ultraschallschweißen zur Gruppe der Reibschweißungen.

Mit Hilfe eines Generators wird hochfrequenter Wechselstrom erzeugt und über ein Koaxialkabel zu einem Ultraschallwandler, dem sogenannten Konverter, übertragen, der daraus mit Hilfe des piezoelektrischen oder des magnetostriktiven Effekts eine mechanische Ultraschallschwingung erzeugt. Diese Schwingungen werden über ein Amplitudentransformationsstück auf die Sonotrode übertragen. Unterschiedliche Anwendungen erfordern unterschiedliche Bauformen von Sonotroden, die meist aus Stahl, Aluminium oder Titan hergestellt werden. Die Amplitude der Schwingung und die Impedanzanpassung wird durch die Form und Masse des Amplitudentransformationsstückes beeinflusst. Die Schwingungen werden unter Druck über die strukturierte, oft geriffelte Arbeitsfläche der Sonotrode auf die zu verbindenden Werkstücke übertragen.

Beim Schweißen von Kunststoff wird die Schwingung meist vertikal zu den Fügepartnern eingeleitet. Diese erhitzen sich und beginnen zu erweichen, wodurch der Dämpfungskoeffizient ansteigt. Die Zunahme des Dämpfungskoeffizienten führt zu höherer innerer Reibung, was die Temperaturerhöhung weiter beschleunigt. Die aufgeschmolzenen Werkstoffe verbinden sich und sind nach dem Abkühlen und Erstarren miteinander verschweißt.

Beim Ultraschallschweißen von Metallen wird die Schwingung horizontal zu den Fügepartnern eingeleitet, so dass diese aneinanderreiben. Die Verbindung entsteht nach dem Abscheren von Rauhigkeitsspitzen und dem Aufbrechen der Oxidschicht im Wesentlichen durch ein Ineinanderverzahnen und -verhaken der Fügepartner. Dies geschieht durch plastisches Fließen, ohne dass die Materialien schmelzen, was insbesondere bei Folien, dünnen Blechen oder Drähten, wie zum Beispiel beim Drahtbonden, vorteilhaft ist.

Neben punktförmigen Schweißungen sind mit abrollenden Sonotroden auch Nahtschweißungen möglich, so z. B. bei der Fertigung von Solarkollektoren.

Das Verfahren ist weiterhin durch sehr geringe Schweißzeiten und hohe Wirtschaftlichkeit gekennzeichnet. Es lassen sich unterschiedliche Materialien miteinander verbinden, die Werkstücke werden nur im Schweißbereich geringfügig erwärmt, das umliegende Material somit nicht geschädigt.

Durch das bestücken der Kontaktzone einer jeweiligen Sonotrode oder eines Amboss mit PKD (Polykristalliner Diamant), wird zum Einen natürlich der allgemeine Verschleiß des jeweiligen Werkzeuges  im Kontaktbereich zum Werkstück reduziert, zum Anderen wird so effektiv eine Reduzierung des Anlegierens und/oder Anhaftens von Bspw. Aluminium oder Aluminiumlegierungen erreicht.

 


 

Gerne fertigen wir für Sie Sonotroden oder Ambosse nach Ihren Spezifikationen als Gesamtpaket, oder bestücken die von Ihnen vorgefertigten Werkzeuge im Kontaktbereich mit PKD.

Nachfolgend finden Sie eine Auswahl der von uns gefertigten Werkzeuge: